JP6384607B2 - 燃料噴射制御装置及び燃料噴射制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、筒内に燃料を直接的に噴射する筒内噴射式火花点火内燃機関の燃料噴射制御に関する。

筒内噴射式火花点火内燃機関においては、ピストン冠面等に燃料が付着する場合がある。この燃料の付着量が増大し、燃焼火炎により点火されて燃焼すると、ＰＮ（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｎｕｍｂｅｒ）の増大を招くこととなる。そこで、ピストン冠面への燃料の付着を抑制するために、圧縮行程中の燃料噴射タイミングをバルブオーバーラップ期間中の吹き返し量に応じて進角補正する技術がＪＰ２００４−２１１６６４Ａに開示されている。

上記文献では、圧縮行程噴射による成層燃焼を行うこととなっている。そして、上記文献では圧縮行程中の燃料噴射タイミングを進角することで燃料噴射時における燃料噴射弁とピストン冠面との距離を補正前よりも長くして、ピストン冠面への燃料の付着量を減少させている。

しかしながら、上記文献の制御では、例えばアイドル運転中には進角補正量が一定となり、燃料噴霧は毎回ピストン冠面の同じ位置に衝突することになるので、ピストン冠面への燃料の付着量が増大してしまう。

そこで本発明では、ピストン冠面への燃料付着量を低減し得る燃料噴射制御装置及び燃料噴射制御方法を提供することを目的とする。

本発明のある態様によれば、筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、筒内の混合気に火花点火する点火プラグと、を備える筒内直接燃料噴射式火花点火エンジンの燃料噴射制御装置が提供される。燃料噴射制御装置は、噴射された燃料が衝突する部位が所定の低温状態である場合に、燃料噴霧が継続的に同じ位置に衝突し続けることが抑制されるように所定の運転条件における燃料噴射条件を変更して燃料を噴射する。

図１は、本実施形態の制御を適用する内燃機関の構成図である。 図２は、本実施形態の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図３は、燃料噴射タイミングの変更可能範囲を示すテーブルである。 図４は、燃圧一定で燃料噴射タイミングを変更する際の変更量と燃料噴射量との関係を示すテーブルである。 図５は、燃圧の変更可能範囲を示すテーブルである。 図６は、燃料噴射タイミング一定で燃圧を変更する際の変更量と燃料噴射量との関係を示すテーブルである。 図７は、燃圧および燃料噴射タイミングの変更可能範囲を示すマップである。 図８は、燃料噴射タイミングの変化のさせ方の例を示す図である。 図９は、ピストン冠面の燃料噴霧衝突位置と燃料噴射タイミングとの関係を示す図である。 図１０は、本実施形態の制御を実行した場合の効果を説明するための図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

図１は、本実施形態を適用する筒内直接燃料噴射式火花点火エンジン（以下、「エンジン」ともいう）１の、燃焼室周辺の概略構成図である。なお、図１はひとつの気筒についてのみ示しているが、本実施形態は多気筒エンジンにも適用可能である。

エンジン１のシリンダブロック１Ｂはシリンダ２を備える。シリンダ２にはピストン３が往復動可能に収められている。ピストン３はコネクティングロッド１２を介して図示しないクランクシャフトと連結されており、クランクシャフトが回転することにより往復動する。また、ピストン３は冠面３Ａ（以下、ピストン冠面３Ａともいう）に後述するキャビティ１０を備える。

エンジン１のシリンダヘッド１Ａは凹状の燃焼室１１を備える。燃焼室１１は、いわゆるペントルーフ型に構成されており、吸気側の傾斜面には一対の吸気バルブ６が、排気側の傾斜面には一対の排気バルブ７がそれぞれ配置されている。そして、これら一対の吸気バルブ６及び一対の排気バルブ７に囲まれた燃焼室１１の略中心位置に、点火プラグ８がシリンダ２の軸線に沿うように配置されている。

また、シリンダヘッド１Ａの、一対の吸気バルブ６に挟まれた位置には、燃料噴射弁９が燃焼室１１に臨むように配置されている。燃料噴射弁９から噴射される燃料噴霧の指向性については後述する。

吸気バルブ６及び排気バルブ７は、それぞれ図示しないカムシャフトにより開閉駆動される。なお、吸気側または排気側の少なくとも一方に可変動弁機構を配置して、開弁タイミング及び閉弁タイミングを可変制御し得るようにしてもよい。開弁タイミングとは開弁動作を開始するタイミング、閉弁タイミングとは閉弁動作を終了するタイミングである。可変動弁機構としては、カムシャフトのクランクシャフトに対する回転位相を変化させるものや、回転位相だけでなく各バルブの作動角も変化させ得るもの等、公知の機構を用いることができる。

排気通路５の排気流れ下流側には、エンジン１の排気ガスを浄化するための排気浄化触媒が介装されている。排気浄化触媒は、例えば三元触媒である。

ピストン３は、上述したようにピストン冠面３Ａにキャビティ１０を備える。キャビティ１０は、ピストン冠面３Ａにおいて吸気側に偏った位置に設けられている。そして、燃料噴射弁９は、ピストン３が上死点近傍にあるときに燃料噴射すれば燃料噴霧がこのキャビティ１０を指向するように配置されている。キャビティ１０は、衝突して跳ね返った燃料噴霧が点火プラグ８の方向へ向かうような形状になっている。

なお、エンジン１の燃料噴射量、燃料噴射タイミング、及び点火時期等は、コントローラ１００によりエンジン１の運転状態に応じて制御される。なお、ここでいう燃料噴射タイミングとは、燃料噴射を開始するタイミングである。また、これらの制御を実行するために、エンジン１はクランクシャフト角度センサ、冷却水温センサ、吸入空気量を検出するエアフローメータ等の各種検出装置を備える。

次に、コントローラ１００が実行する、エンジン１の始動時における制御について説明する。本実施形態では、１サイクルあたりに必要な燃料量を２回に分けて噴射する、いわゆる２段噴射を行うこととする。

排気浄化触媒は、活性化温度より低温では十分な浄化性能を発揮しない。このため、排気浄化触媒が活性化温度より低温である冷機始動時には、排気浄化触媒を早期に昇温する必要がある。そこで、コントローラ１００は、冷間始動直後のアイドル状態で排気浄化触媒が不活性状態にある場合に、排気浄化触媒を早期に活性化させるために超リタード成層燃焼を実行する。なお、超リタード成層燃焼そのものは公知（特開２００８−２５５３５号公報参照）である。

超リタード成層燃焼では、コントローラ１００は点火タイミングを膨張行程の前半の、例えば圧縮上死点後１５−３０ｄｅｇに設定する。また、コントローラ１００は１回目の燃料噴射タイミングを吸気行程の前半に設定し、２回目の燃料噴射タイミングを圧縮行程の後半の、燃料噴霧が点火タイミングまでに点火プラグ８の周辺に到達し得るタイミング、例えば圧縮上死点前５０−６０ｄｅｇに設定する。

ここで、１回目の燃料噴射量と２回目の燃料噴射量とについて説明する。

上述した超リタード成層燃焼で排出される排気ガスの空燃比はストイキ（理論空燃比）である。コントローラ１００は一般的な燃料噴射量設定方法と同様に、１サイクル当たりの吸入空気量で完全燃焼させ得る燃料量（以下、トータル燃料量ともいう）を算出する。このトータル燃料量のうちの一部、例えば５０−９０重量％を１回目の噴射量とし、残りを２回目の噴射量とする。

上記のように燃料噴射量を設定すると、１回目の燃料噴射で噴射された燃料噴霧は、キャビティ１０に衝突することなくシリンダ２内に拡散し、空気と混合して燃焼室１１の全域にストイキよりもリーンな均質混合気を形成する。そして、２回目の燃料噴射で噴射された燃料噴霧は、キャビティ１０に衝突し、巻き上げられることによって点火プラグ８の近傍に到達し、点火プラグ８の周りにストイキよりもリッチな混合気を集中的に形成する。これにより燃焼室１１内の混合気は成層状態となる。この状態で点火プラグ８により火花点火すれば、失火やスモーク発生が抑制された外乱に強い燃焼が行われる。ところで、上述した燃焼は成層燃焼であるが、点火タイミングが圧縮上死前である一般的な成層燃焼と区別するために、超リタード成層燃焼と称する。なお、上述した１回目の燃料噴射を２回に分割して、１サイクルあたりに必要な燃料量を吸気行程に２回、圧縮行程に１回の合計３回に分けて噴射する３段噴射としてもよい。

上記のような超リタード成層燃焼によれば、従来の均質ストイキ燃焼と比較して排気温度を上昇させることができるだけでなく、燃焼室１１から排気通路５へのハイドロカーボン（ＨＣ）排出量を低減できる。すなわち、超リタード成層燃焼によれば、従来の均質ストイキ燃焼だけ、成層燃焼だけ、或いは、これらに対し更に追加燃料を燃焼後期以降（膨張行程以降や排気行程中）に噴射する燃焼形態等、で暖機を行なわせる場合に比べて、始動開始から排気浄化触媒が活性化するまでの間における大気中へのＨＣの排出を抑制しながら、排気浄化触媒の早期活性化を実現することができる。

ところで、超リタード成層燃焼の実行中にピストン冠面３Ａに衝突した燃料の一部は、点火プラグ８の方向に向かわずに、ピストン冠面３Ａに付着する。ピストン冠面３Ａに燃料が付着した場合でも、付着した燃料が気化して当該サイクル中に燃焼すれば、ピストン冠面３Ａに燃料が残留することはない。しかし、超リタード成層燃焼を実行するのは冷機始動時なので、ピストン冠面３Ａの温度が上昇するまでは、付着した燃料は気化し難い。また、付着した燃料が当該サイクルの燃焼火炎が伝播することによって燃焼すれば、ピストン冠面３Ａに燃料が残留することはない。しかし、超リタード成層燃焼では膨張行程で燃焼を開始するので、燃焼火炎がピストン冠面３Ａに到達しなかったり、または膨張行程後半で温度低下した状態でピストン冠面３Ａに到達することとなったりする。このため、付着した燃料を当該サイクル中に燃やし切ることは難しい。なお、ピストン冠面３Ａに残留している液状燃料が燃焼火炎によって点火されて燃焼する現象をプールファイヤと称する。

したがって、冷機始動してからの所定期間は、ピストン冠面３Ａに残留する液状燃料は増加し続ける。ここでいう所定期間とは、１サイクル中にピストン冠面３Ａに付着する量よりも、ピストン冠面３Ａに残留していた液状燃料が１サイクル中に気化する量の方が多くなるまでの期間である。

つまり、所定期間を超えて超リタード成層燃焼を継続すれば、ピストン冠面３Ａに残留していた液状燃料は徐々に減少する。しかし、所定期間経過前に、ピストン冠面３Ａに液状燃料が残留した状態で超リタード成層燃焼から均質ストイキ燃焼に切り替わる場合がある。例えば、排気浄化触媒が活性化した場合や、アクセルペダルが踏み込まれて加速する場合である。なお、ここでいう均質ストイキ燃焼とは、燃焼室１１の全体に理論空燃比の混合気を形成し、最適点火時期（ＭＢＴ：ｍｉｎｉｍｕｍ ａｄｖａｎｃｅ ｆｏｒ ｂｅｓｔ ｔｏｒｑｕｅ）で火花点火する燃焼形態である。

ピストン冠面３Ａに液状燃料が残留している状態で均質ストイキ燃焼に切り替わると、燃焼火炎が高温のままピストン冠面３Ａに到達してプールファイヤが生じ、残留している液状燃料が燃焼する。このように、今回のサイクルまでに蓄積した液状燃料が燃焼すると、ＰＮが増加する傾向がある。

そこで本実施形態では、ピストン冠面３Ａに残留する液状燃料量を低減するために、コントローラ１００が以下に説明する制御を実行する。

図２は、コントローラ１００が実行する制御ルーチンを示すフローチャートである。本ルーチンは、短い周期（例えば１０ミリ秒毎）で繰り返し実行される。

ステップＳ１０で、コントローラ１００は加速要求の有無を判定する。具体的には、アクセルペダル開度（ＡＰＯ）がゼロより大きいか否か、つまりアクセルペダルが踏み込まれたか否かを判定する。なお、本ステップでは加速要求の有無を判定できればよいので、例えば、アクセルペダル開度の変化速度が所定値よりも大きい場合に加速要求あり、と判定してもよいし、アクセルペダル開度がゼロより大きく、かつアクセルペダル開度の変化速度が所定値より大きい場合に加速要求あり、と判定してもよい。

コントローラ１００は、アクセルペダル開度がゼロより大きい場合は加速要求有りと判定して、ステップＳ５０にて均質ストイキ燃焼を実行する。一方、アクセルペダル開度がゼロの場合は、コントローラ１００は加速要求無し、と判定して、ステップＳ２０の処理を実行する。

ステップＳ２０で、コントローラ１００は触媒温度が触媒活性温度（Ａ℃）より高いか否かを判定する。コントローラ１００は、触媒温度が触媒活性温度より高い場合にはステップＳ５０で均質ストイキ燃焼を実行する。一方、触媒温度が触媒活性温度より低い場合には、コントローラ１００は触媒の昇温を促進するためにステップＳ３０で超リタード成層燃焼（ＦＩＲ）を実行する。

つまり、コントローラ１００は、触媒が未活性状態であれば超リタード成層燃焼を実行し、活性状態であれば均質ストイキ燃焼を実行する。ただし、加速要求が有る場合には、加速要求を満足する加速をするために、均質ストイキ燃焼を実行する。

ステップＳ４０で、コントローラ１００は後述するように１サイクル毎に燃料噴射タイミングと燃料噴射圧力（以下、「燃圧」ともいう）とを変更する。

また、ステップＳ５０で均質ストイキ燃焼を実行した場合には、コントローラ１００はステップＳ６０で、燃料噴霧が衝突する部位であるピストン冠面３Ａの温度（以下、「ピストン冠面温度」ともいう）が予め設定した温度（Ｂ℃）より低いか否かを判定する。コントローラ１００はピストン冠面温度がＢ℃以上であれば本ルーチンを終了し、Ｂ℃より低ければステップＳ４０の処理を実行する。ステップＳ６０で用いる予め設定した温度（Ｂ℃）は、例えばピストン冠面３Ａに残留している液状燃料が時間経過に伴って減少する状態になったときのピストン冠面温度である。なお、ピストン冠面温度は、前記状態となったときのシリンダ壁面温度から推定することができる。そして、シリンダ壁面温度は冷却水温から推定することができる。

上述したように、コントローラ１００は、加速要求が無い場合には触媒が非活性状態であれば超リタード成層燃焼を実行し、触媒が活性状態であれば均質ストイキ燃焼を実行する。そして、超リタード成層燃焼を実行する場合には、１サイクル毎に燃料噴射タイミングと燃圧とを変更する。また、コントローラ１００は、均質モードを実行する場合でもピストン冠面温度がＢ℃より低ければ、つまりピストン冠面３Ａに液状燃料が蓄積し得る温度であれば、１サイクル毎に燃料噴射タイミングと燃圧とを変更する。

なお、必ずしも燃料噴射タイミングと燃圧との両方を変更しなくてはならないわけではなく、上述した効果が得られるのであれば、いずれか一方だけを変更してもよい。また、変更する周期は１サイクル毎に限られるわけではなく、数サイクル毎や、変則的な周期で変更してもよい。所定の（同一の）エンジン運転条件においてコントローラ１００により算出される基本となる燃料噴射条件（燃料噴射タイミングまたは燃圧）を変更することなく継続することによって、同じ部位に継続して燃料が吹きつけられて液状の燃料が乾きにくい状態になることを抑制できるのであれば、さらに他の形態であってもよい。

上記の「所定のエンジン運転条件」とは、エンジン運転中に逐次、各制御パラメータを計算するときの環境条件（吸入空気量、温度、要求トルク等）のことである。すなわち、従来は所定の（同一の）エンジン運転条件であれば、同じ燃料噴射条件（燃料噴射タイミングと燃圧）で制御されるが、本実施形態では所定の（同一の）エンジン運転条件であっても、意図的に燃料噴射条件（燃料噴射タイミングと燃圧との少なくとも一方）は変更され、ミクロ的な時間経過とともに燃料が付着する位置がズレるように制御される。また、燃料が付着する位置をズラす量はＰＮの増大が抑制できる効果が得られればよく、必要以上に大きくズラさなくてもよい。

なお、超リタード成層燃焼を実行する場合に冠面温度についての判定を実行しないのは、ステップＳ２０が冠面温度についての判定を兼ねているからである。すなわち、触媒は冷機始動時や、アイドリングストップや燃料カットからの復帰時に非活性状態になり得るが、これらはピストン冠面温度が低くなる状態でもあるので、ステップＳ２０で触媒温度が活性温度より低ければ、ピストン冠面温度も低い状態であると推定できる。

ここで、ステップＳ４０の処理について説明する。

上述したように、コントローラ１００はステップＳ４０において、１サイクル毎に燃料噴射タイミングと燃圧とを変更する。これは、ピストン冠面３Ａの、燃料噴霧が衝突する位置（燃料衝突位置ともいう）を１サイクル毎に変えるためである。燃料衝突位置が変化しない場合には、ピストン冠面３Ａに付着した燃料が気化する前に次サイクルの燃料噴霧が衝突し、これが繰り返されることにより燃料衝突位置に液状燃料が蓄積する。そこでコントローラ１００は、このような液状燃料の蓄積を抑制するために、今回のサイクルにおける燃料噴射位置を前サイクルにおける燃料衝突位置からずらすための燃料噴射制御を実行する。以下、今回のサイクルにおける燃料噴射位置を前サイクルにおける燃料衝突位置からずらすことが可能な燃料噴射制御の３つのパターンについて説明する。

（第１パターン）
第１パターンは、コントローラ１００が燃圧一定のまま燃料噴射タイミングを変更するパターンである。

図３は、燃料噴射タイミングの変更可能範囲を示すテーブルである。図３の縦軸は燃圧、横軸は燃料噴射タイミングであり、図中のＩＴ０は超リタード成層燃焼実行時の基準となる燃料噴射タイミング（基本燃料噴射タイミング）である。図４は燃圧一定で燃料噴射タイミングを変更する際の変更量と燃料噴射量との関係を示すテーブルである。

ピストン冠面３Ａに液状燃料が蓄積することを抑制するためには、ピストン冠面３Ａの同じ位置に燃料噴霧が衝突し続けない事が望ましい。そして、燃圧一定であれば燃料噴射量が多いほど噴射時間が長くなる。そこで、図４に示すように、燃料噴射量が多いほど燃料噴射タイミング変更量を大きくする。ただし、燃料噴霧がキャビティ１０に衝突しなくなるほど燃料噴射タイミング変更量を大きくすると、点火プラグ周りに成層混合気が形成され難くなるので、超リタード成層燃焼モードにおいては燃焼安定度が低下する。そこで、燃料噴射タイミングを変更しても燃焼安定度を確保するため、図３に示すように進角限界ＩＴ１及び遅角限界ＩＴ２を設定する。

なお、超リタード成層燃焼実行中は燃料噴射量がほぼ変化しないが、均質ストイキ燃焼実行中は運転状態に応じて燃料噴射量が変化するので、図４のように燃料噴射量と燃料噴射タイミング変更量との関係を定めておく意義がある。

また、超リタード成層燃焼はピストン冠面３Ａに衝突した燃料噴霧が点火プラグ８方向へ反射して成層混合気を形成しなければならないので、進角限界ＩＴ１及び遅角限界ＩＴ２を設定するにあたっては、燃料噴霧が反射するか否かを考慮する必要がある。一方、均質ストイキ燃焼の場合は、ピストン冠面３Ａに付着した燃料の蒸発し易さを主に考慮すればよい。

（第２パターン）
第２パターンは、コントローラ１００が燃料噴射タイミング一定のまま燃圧を変更するパターンである。

図５は、第２パターンにおける、燃圧の変更可能範囲を示すテーブルである。図５の縦軸は燃圧、横軸は燃料噴射タイミングであり、図中のＰ１は超リタード成層燃焼実行時の基準となる燃圧（基本燃圧）である。図６は燃料噴射タイミング一定で燃圧を変更する際の変更量と燃料噴射量との関係を示すテーブルである。

燃料噴射タイミングが固定であっても、燃圧を変更すれば燃料噴霧の速度や到達距離が変わるので、ピストン冠面３Ａの燃料衝突位置も変わる。例えば、燃料噴射タイミングが同じであっても、燃圧を高めると燃料噴霧がピストン３に衝突するまでの時間が短くなるので、燃料噴霧が衝突するときにピストン３は燃圧低下前に比べて下死点に近い位置にある。燃料噴射弁９の噴射方向は一定なので、ピストン位置が下死点側にずれることで、ピストン冠面３Ａの燃料衝突位置もずれる。

また、図６に示すように燃料噴射量が多いほど燃圧変更量を大きくする。ただし、燃圧が低くなるほど燃料は霧化し難くなり、超リタード成層燃焼及び均質ストイキ燃焼のいずれの場合も燃焼安定性が低下する。また、燃圧が低くなるほどピストン冠面３Ａに衝突した燃料噴霧が反射しにくくなり、点火プラグ周りに成層混合気を形成し難くなるので、超リタード成層燃焼モードにおける燃焼安定性が低下する。また、燃圧は燃料ポンプの性能等により高圧側の限界が定まる。そこで、燃料の霧化特性、燃焼安定度、及び燃料ポンプの性能等に基づいて、図５に示すように低圧限界Ｐ１及び高圧限界Ｐ２を設定し、低圧限界Ｐ１を基本燃圧とする。つまり、本実施形態における「燃圧の変更」は燃圧を高めることを意味する。なお、基本燃圧を低圧限界Ｐ１より高く設定してもかまわない。

（第３パターン）
第３パターンは、コントローラ１００が燃圧及び燃料噴射タイミングを変更するパターンである。

図７は、第３パターンにおける燃圧および燃料噴射タイミングの変更可能範囲を示すマップである。図７において燃圧Ｐ１の場合よりも燃圧Ｐ２の場合の方が燃料噴射タイミングの変更可能範囲が広いのは、次の理由による。第１に、燃圧が高くなるほど燃料噴霧が微粒化され、かつ燃料噴霧の運動量が大きくなることによって、燃焼安定度が高まるからである。第２に、燃圧が高くなるほど燃料噴霧の速度が高く、到達距離も増大するので、燃料噴射タイミングにおける燃料噴射弁９からピストン冠面３Ａまでの距離をのばしても、燃料噴霧はピストン冠面３Ａで反射して点火プラグ８の周りに成層混合気を形成することができ、燃焼安定度が向上するからである。

すなわち、図８に示すように、燃圧一定のままでは燃料噴射タイミングを進角限界ＩＴ１から遅角限界ＩＴ２までの範囲内でしか変更できないのに対し、燃圧も変更することにより、図８中の破線で示した範囲まで変更可能範囲を拡大できるようになる。上記のようにいずれのパターンでもピストン冠面３Ａの燃料衝突位置をずらすことはできるが、本実施形態では、コントローラ１００は燃圧及び燃料噴射タイミングを変更する第３パターンを実行する。

なお、図８において、基準→遅角→基準→進角→基準・・・の順に変更してもよいし、基準→遅角→進角→基準→遅角→進角・・・の順に変更してもよい。

ステップＳ４０においてコントローラ１００は、上述した第１パターンから第３パターンのいずれかの燃料噴射制御を実行する。いずれの燃料噴射制御も、超リタード成層燃焼実行中は燃料噴霧が点火プラグ８の周りに集まるように燃料噴射タイミングや燃圧を変更する。なお、キャビティ１０は衝突した燃料噴霧を点火プラグ８の方向へ導く機能を果たすが、燃料噴霧が点火プラグ８の方向へ反射するためには、必ずしも燃料噴霧がキャビティ１０に衝突する必要はない。例えば、燃圧を高めて燃料噴霧の運動量を増大させることにより、ピストン冠面３Ａのキャビティ１０から外れた位置に衝突した燃料噴霧が直接またはシリンダ壁に再度反射して点火プラグ８の周辺に集まるようにすることができる。

次に、本実施形態の作用効果について説明する。

図９は、超リタード成層燃焼実行中に、燃料噴射タイミング及び燃圧を１サイクル毎に基準→進角→遅角→基準→進角・・・と変更した場合の燃料噴霧とピストン３との関係を示す図である。

基準の位置では燃料噴霧がキャビティ１０を含むピストン冠面３Ａの中心付近に衝突している。次サイクルでは、燃料噴射タイミングが遅角側に変更されて、燃料噴霧の衝突位置は基準位置における衝突位置から図中右側へずれている。そして、次々サイクルでは燃料噴射タイミングが進角側に変更されて、燃料噴霧の衝突位置は基準位置における衝突位置から図中左側へずれている。

図１０は、図９の燃料噴射制御を実行した場合の、ピストン冠面温度及び液状燃料量のタイミングチャートである。比較例として、燃料噴射タイミング及び燃圧を変化させない場合のタイミングチャートを破線で示している。

比較例では、毎サイクル、燃料噴霧がピストン冠面３Ａの同じ位置に衝突するので、冷機始動時のようにピストン冠面温度が低い場合には前回のサイクルで付着した燃料が気化する前に次のサイクルの燃料噴霧が衝突する。このため、ピストン冠面３Ａに付着した燃料が液膜を形成し易く、液膜が形成されることによりピストン冠面温度が上昇し難くなり、さらに液状燃料量が増加するという悪循環が生じる。

これに対して本実施形態では、１サイクル毎にピストン冠面３Ａの燃料噴霧が衝突する位置が変化するので、ピストン冠面３Ａに付着した燃料が気化する時間を稼ぐことができる。その結果、比較例のような悪循環が生じ難くなり、比較例に比べてピストン冠面温度は上昇し易くなり、ピストン冠面３Ａに蓄積する液状燃料量を抑制できる。

なお、本実施形態では燃料噴射タイミングや燃料噴射圧力を１サイクル毎に変更しているが、これに限られるわけではない。ピストン冠面３Ａやシリンダ壁面の同じ位置に燃料噴霧が継続的に衝突し続けることを抑制できるのであれば、例えば、数サイクル毎に変更するようにしてもよいし、ランダムに変更するようにしてもよい。ここでいう「継続的に」とは、ピストン冠面３Ａやシリンダ壁面に液状燃料が蓄積する程度に連続して、との意味である。どの程度連続すると液状燃料が蓄積するのかは、燃料噴射パターン（噴霧形状）、ピストン冠面３Ａの形状、１回当たりの燃料噴射量等、様々な要因によって異なるので、実験等により予め調べておく。

以上のように本実施形態では、噴射された燃料が衝突する部位が所定の低温状態である場合に、燃料噴霧が継続的に同じ位置に衝突し続けることが抑制されるように所定の運転条件における燃料噴射条件を変更して燃料を噴射する。具体的には、ピストン冠面温度が所定温度より低い場合に、ピストン冠面３Ａの燃料噴霧衝突位置が１サイクル毎に変化するように燃料を噴射する。これにより、ピストン冠面３Ａに局所的に燃料が付着することが抑制されるので、ピストン冠面３Ａに液状燃料が蓄積することを抑制できる。

なお、本実施形態では燃料噴霧が衝突する部位がピストン冠面３Ａである場合について説明したが、燃料噴霧が衝突する部位がシリンダ壁面の場合でも、本実施形態の制御を適用することで、シリンダ壁面の同じ位置に燃料噴霧が衝突し続けることによる燃料の蓄積を抑制できる。

本実施形態では、ピストン冠面３Ａの燃料噴霧衝突位置を変化させるために、燃料噴射タイミングを変更する。これにより、ピストン冠面３Ａに液状燃料が蓄積することを抑制できる。なお、本実施形態において燃料噴射タイミングや燃圧を変更する膨張行程噴射は、いわゆる主燃焼に供される燃料を噴射するものであるが、いわゆるポスト噴射やアフター噴射に適用してもよい。これらの燃料噴射で噴射された燃料も、ピストン冠面３Ａ等に蓄積すればＰＮ増大の原因となり得るからである。

本実施形態では、燃料噴射圧力を変更することにより燃料噴霧が継続的に同じ位置に衝突し続けることを抑制する。燃圧を変更すると、燃料噴霧の飛距離等が変化することにより、ピストン冠面３Ａの燃料衝突位置が変化するので、燃料噴射タイミングを変更する場合と同様に、ピストン冠面３Ａに液状燃料が蓄積することを抑制できる。燃料噴射圧力を変更する膨張行程噴射がいわゆるポスト噴射やアフター噴射であってもよい点も、燃料噴射タイミングを変更する場合と同様である。

また、燃料噴射タイミング及び燃料噴射圧力を変更してもよい。例えば、燃焼安定度を確保できる燃圧を基準として、そこからの燃圧上昇量を燃料噴射タイミングの変更量に応じて調整する。燃圧を上昇させると、燃料噴霧の微粒化が促進され、かつ、燃料噴霧の運動量が増加するので、燃焼安定度が向上する。その結果、燃料噴射タイミングの変更によりキャビティ１０から外れる燃料噴霧が増えても、燃焼安定度の低下を抑制できる。

燃料噴射タイミング及び燃料噴射圧力を変更する場合には、燃圧が高いほど燃料噴射タイミングの変更量を大きくする。これにより、燃圧を変更しない場合に比べてピストン冠面３Ａの燃料噴霧衝突位置の変化量が大きくなるので、ピストン冠面３Ａに液状燃料が付着することを抑制し易くなる。

本実施形態では、燃料噴射量が多い場合ほど、燃料噴射タイミング及び燃圧の変更量を大きくする。燃料噴射量が多くなるほど、噴射パルスが長くなり、噴射期間中におけるピストン移動量が大きくなるので、１サイクルあたりのピストン冠面３Ａの燃料噴霧衝突位置が広範囲になる。そこで、本実施形態のように燃料噴射量が多い場合ほど燃料噴射タイミング及び燃圧の変更量を大きくすることで、連続するサイクルにおけるピストン冠面３Ａの燃料噴霧衝突位置の重複を抑制できる。

なお、本実施形態では、燃料噴射弁９が燃焼室の側方に設けられた、いわゆるサイド噴射式のエンジン１に適用する場合について説明したが、燃料噴射弁９が燃焼室の頂部近傍に設けられた、いわゆる直上噴射式のエンジン１であっても同様に適用できる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

Claims (4)

1. 筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、
   筒内の混合気に火花点火する点火プラグと、
   を備える筒内直接燃料噴射式火花点火エンジンの燃料噴射制御装置において、
   噴射された燃料が衝突する部位が所定の低温状態である場合に、燃料噴霧が継続的に同じ位置に衝突し続けることが抑制されるように所定の運転条件における燃料噴射タイミング及び燃料噴射圧力を変更して燃料を噴射し、
   前記燃料噴射圧力が高いほど前記燃料噴射タイミングの変更量を大きくする燃料噴射制御装置。
2. 請求項１に記載の燃料噴射制御装置において、
   燃料噴射量が多いほど前記燃料噴射タイミングの変更量を大きくする燃料噴射制御装置。
3. 請求項１に記載のエンジン制御装置において、
   燃料噴射量が多いほど前記燃料噴射圧力の変更量を大きくする燃料噴射制御装置。
4. 筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、
   筒内の混合気に火花点火する点火プラグと、
   を備える筒内直接燃料噴射式火花点火エンジンの燃料噴射制御方法において、
   噴射された燃料が衝突する部位が所定の低温状態である場合に、燃料噴霧が継続的に同じ位置に衝突し続けることが抑制されるように所定の運転条件における燃料噴射タイミング及び燃料噴射圧力を変更して燃料を噴射し、
   前記燃料噴射圧力が高いほど前記燃料噴射タイミングの変更量を大きくする燃料噴射制御方法。

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